复合地层盾构侧穿邻近桩基隔离桩防护效果分析

欧阳鸿志 陈森 郝结平 罗如平

摘要：文章以南昌地铁四号线某盾构区间隧道侧下穿邻近既有建筑物桩基为研究对象，采用Plaxis 3D数值模拟方法研究了上软下硬复合地层中隔离桩的变形防护效果，并对未设隔离桩及14种不同工况隔离桩进行三维数值对比分析。结果表明：隔离桩与盾构隧道水平距离越近，与邻近建筑桩基水平距离越远，其对邻近桩基变形的防护效果越为明显；隔离桩底部最优设置深度为隧道底部以下1/4隧道直径与3/4隧道直径之间；隔离桩底部深度确定时，其顶部插入地面以下7 m深度范围均能起到较好的防护效果。

关键词：盾构隧道；隔离桩；复合地层；数值模拟；防护效果

中图分类号：U455.43A411396

0引言

随着我国地铁建设快速发展，伴随着地铁建设出现的工程问题也层出不穷。例如，地铁建设通常遍布于城市建筑物密集区，隧道掘进过程中会不可避免地穿越隧道邻近建筑物，对邻近建筑物产生一定的影响［1-2］。基于此，在隧道建设过程中如何确保邻近建筑物的安全是需要重点考虑的问题之一。由于隔离桩具有形式多样、强度较高、质量可靠等优点，因此在地铁建设环境保护方面应用较为广泛，尤其是当盾构隧道近距离穿越邻近建（构）筑物时，隔离桩成为降低盾构施工对周边环境影响的重要防护措施之一。

对于盾构隧道下穿邻近建（构）筑物时隔离桩的防护效果，相关学者作了一定探讨与分析［3-5］。史渊等［6］分析了隔离桩对双线盾构近距离侧穿高铁桥梁桩基的变形控制影响；纪茜尧等［7］对埋入式隔离桩力学性能和隔离效果进行了分析研究；奎耀等［8］分析了隔离桩对隧道引起建筑物沉降的影响和隔离桩对控制建筑物变形的效果；冯国辉等［9］采用差分法，利用Maple数学运算软件进行案例分析，表明当隔离桩弹性模量较小时，Pasternak地基模型计算结果比Winkler地基模型更加精准；陈发东［10］利用Midas GTS数值模拟方法对盾构施工引起的邻近桩基及土体变形响应进行了研究，分析了盾构掘进对既有桩基的影响机理，并对盾构引起周围土体变形破坏（塑性）区演变特征进行了研究；吴镇等［11］通过现场监测结果与数值模拟、模型试验结果的一致性，验证了数值模拟和室内模型实验结果的可靠性；Ledesma［12］等采用解析方法求解了隔离桩约束下土体的竖向变形，其解析模型较为简化，也未能考虑土体泊松比、内摩擦角对隔离桩发挥阻隔效应的影响。

上述研究所针对的地层条件主要是单一均质地层，关于复合地层中盾构隧道侧穿邻近建筑桩基隔离桩防护效果研究较少。南昌地区具有典型的上软下硬复合地层条件，上部一般为杂填土、黏土或砂土等较为软弱土层，下部一般为较为坚硬的泥岩或粉质泥岩，其强度高，具有较好的嵌固作用。相对于均质地层条件下设置的隔离桩深度，在满足工程要求情况下，复合地层可减小隔离桩的设置深度。鉴于此，本文以南昌地铁四号线人民公园站至上沙沟站区间盾构隧道侧下穿南昌市市容环境服务中心建筑桩基为研究对象，基于南昌地区特殊的上软下硬复合地层，采用Plaxis 3D软件建立地层-隧道-隔离桩-邻近桩基相互作用三维模型，对未设置隔离桩与设置不同工况下的隔离桩进行数值计算，分析了其对邻近桩基的变形防护效果，为相关类似工程提供参考。

1工程背景

南昌地铁四号线人民公园站至上沙沟站区间线路出人民公园站后，沿贤士一路继续北上，下穿南京西路及阳明东路，至贤士湖后线路下穿玉带河北支及中粮粮库，下穿二七北路后，接入上沙沟站。整个区间线路地层上部多为杂填土、粉质黏土、粗砂、砾砂，下部多为强风化泥质粉砂岩及中风化泥质粉砂岩；洞身穿越砾砂、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩，为典型上软下硬复合地层。

地铁四号线盾构左线侧穿南昌市市容环境服务中心，其基础采用人工挖孔灌注桩基础，桩径为1.0 m，桩长为10.1 m，隧道埋深为16.6 m，与结构垂直距离为6.0 m，与结构水平距离为3.97 m，邻近建筑桩基与隧道的位置关系如图1所示。为降低盾构侧穿引起的邻近桩基附加变形量，在盾构穿越时采用隔离桩对既有桩基进行隔离防护。

2有限元模型的建立與计算

2.1有限元模型

为分析隔离桩的隔离防护效果，本文采用有限元分析软件Plaxis 3D建立了地层-隧道-隔离桩-桩基相互作用三维模型，模型尺寸选为：40 m（X）×40 m（Z）×80 m（Y），模型尺寸大小可消除边界效应影响。为提高计算效率，取整个隧道的一半进行建模计算。模型边界采用位移控制边界条件，其中，底部采用固定边界，侧面限制其水平位移，上部为自由边界条件。考虑实际工程中盾构掘进方向所穿越建筑桩基的工程及地质条件基本相同，只是穿越先后顺序有区别，为此简化有限元模型以盾构穿越单桩为研究对象。有限元模型中桩基与隔离桩均采用Plaxis 3D软件的“Embeded beam”桩单元，其桩土相互作用包括侧摩阻力和端阻力，侧摩阻力和桩端力发挥大小由桩土相对位移决定。建立的三维有限元模型如图2～3所示。

2.2模型参数取值

数值模型中，土体采用弹塑性模型，强度准则采用Mohr-Coulomb屈服准则。土层中含部分夹层，计算时适当进行简化，根据详细勘察报告及土体室内试验，各土层的土体物理力学参数及土层厚度如表1所示。盾构、承台、桩基、隔离桩及衬砌均采用线弹性本构模型，数值计算中盾构机采用板单元，承台及衬砌均采用实体单元，桩基与隔离桩均采用Plaxis 3D软件中的“Embededbeam”桩单元来模拟。主要结构各部分参数取值如表2所示。

2.3计算过程及工况

根据相关学者的研究［13］，本文数值模拟主要研究盾构从桩基前20 m至盾构完全通过桩基后25 m这一区间。为确保数值模拟结果的精度并结合实际盾构开挖情况，本文数值模拟盾构每次开挖3 m，考虑盾身长度隧道需开挖54 m，共开挖18步。在简化盾构掘进过程基础上，通过冻结与激活每一单元及相关参数的方法来精细化模拟每一步开挖，使其更加真实地反映隧道开挖对桩基产生的影响。数值模拟主要步骤包括：对土体进行地应力平衡；激活桩基、承台及隔离桩，并在桩基承台顶部施加均布面荷载，其大小为1 500kPa，方向竖直向下；后续依次进行模拟，盾构每步开挖为3 m。

为更好地研究隔离桩在隧道开挖过程中对桩基不同的影响作用，本文有限元模型计算考虑隧道与桩基之间设置距隧道不同水平距离、不同顶部与底部深度的隔离桩及未设置隔离桩共15种工况条件。

隔离桩采用钻孔灌注桩，设置隔离桩的所有工况均以桩基位置为中心向两侧均匀布置。根据相关学者的研究［14］，并结合本文建筑桩基直径为1.0 m，隔离桩桩径取为0.4 m、桩间距取为0.5 m，隔离桩设置范围在以桩基为中心位置向两侧约5倍建筑桩基直径区间。因此，本文隔离桩总根数统一取为21根。隔离桩布置如图4～5所示。

由于隧道外径与建筑桩基水平距离为3.97 m，因此将隔离桩分别布置在与隧道水平距离为1.0 m、1.8 m、2.6 m处，考虑隧道底部距地面22.6 m、隧道直径为6.0 m，取隔离桩底部深度分别为隧道底部深度和隧道底部深度加上1/4倍、1/2倍、3/4倍、1倍隧道直径；同时为研究隔离桩顶部不同深度防护效果，在保持隔离桩其他条件相同时，依次分别取隔离桩顶部深度为距地面1 m、3 m、5 m、7 m、9 m。因此，结合隔离桩与隧道不同水平距离、隔离桩的不同顶部与底部深度及未设置隔离桩共计15种工况。设置隔离桩具体工况如表3所示。

3计算结果分析

为了研究隔离桩的防护效果，在其他条件相同时，分别对设置隔离桩（工况1～4）与未设置隔离桩进行计算，分析设置隔离桩对建筑桩基的影响。

3.1桩基水平位移分析

通过对工况1～4与未设置隔离桩5种工况的计算，得到未设置隔离桩时盾构开挖完成后桩基位置剖面的水平位移云图如图6所示；这5种工况下盾构开挖完成后建筑桩基的水平位移沿桩身的分布情况如图7所示。

由图6～7可知，盾构开挖完成后桩基位置剖面处的水平位移范围为-1.292 mm～+8.408 mm，并且盾构开挖完成后最大水平位移均发生在盾构开挖面周围土体，距离开挖面越远土体的位移越小；未设置隔离桩时盾构开挖完成后建筑桩基的水平位移范围为+1.425 mm～+2.446 mm，桩基的最大水平位移在桩顶处2.446 mm，最小水平位移在桩端处1.425 mm；工况1条件下桩基水平位移范围为+1.152 mm～+1.196 mm，最大水平位移在桩顶处1.152 mm、最小水平位移在桩端处1.196 mm，相比未设置隔离桩时桩基的水平位移减少51.2%。其他几种设置隔离桩工况下桩基的水平位移也均有不同程度的减小，说明设置隔离桩对控制桩基水平位移效果良好。

3.2桩基竖向位移分析

根据工况1～4与未设置隔离桩这5种工况的计算结果，得到未设置隔离桩时盾构开挖完成后桩基位置剖面的竖向位移情况如图8所示，提取工况1～4与未设置隔离桩5种工况下盾构开挖每一阶段建筑桩基的最大竖向位移情况如图9所示。

从图8～9可知，盾构开挖完成后桩基位置剖面竖向位移范围为-16.990 mm～+0.990 mm，与水平位移相同，盾构开挖完成后最大竖向位移均发生在盾构开挖面周围土体，距离开挖面越远土体的位移越小；未设置隔离桩时随着开挖的进行建筑桩基的竖向位移由开始阶段的-0.047 mm至完成阶段的-5.744 mm，而工况1条件下由开始阶段的-0.041 mm至完成阶段的-1.197 mm。相对于未设置隔离桩时桩基竖向位移减小79.2%，工况2～4分别减小76.7%、70.4%、64.7%。很显然，设置隔离桩对控制桩基竖向位移同样具有较好的效果。

3.3隔离桩设置的合理性分析

前文已进行建筑桩基在未设置隔离桩与设置隔离桩（工况1～4）条件下的简单对比分析，为更加深入地研究隔离桩在隧道不同水平距离、不同底部与顶部深度所起到的防护作用，以优化设计施工，达到安全且相对经济的效果，现对设置隔离桩在不同工况下的效果分别进行分析。

3.3.1隔离桩与隧道不同水平距离影响分析

为研究隔离桩与隧道不同水平距离影响，通过2组不同底部深度的隔离桩与隧道不同水平距离进行对比研究。根据本文的工况设置情况，选取工况1～3、工况6～8共6种工况分别进行计算并提取各施工阶段桩顶的水平与竖向位移，结果分别如图10～11所示。

由图10～11可知，未设置隔离桩时，盾构隧道开挖过程中对桩基产生的最大水平和竖向位移分别为2.453 mm、-5.744 mm；设置隔离桩后，在工况2条件下桩基产生的最大水平和竖向位移分别为1.278 mm、-1.338 mm，位移分别减少47.9%、76.7%。同时，隔离桩设置与隧道水平距离越小，与建筑桩基水平距离越大，盾构隧道开挖对建筑桩基产生的位移就越小。因此，从设置隔离桩减小建筑桩基的位移方面考虑，在满足实际工程需求时，应尽可能地靠近隧道设置隔离桩以更好发挥其防护作用。

3.3.2隔离桩底部不同深度影响分析

为确定隔离桩底部的合理深度，通过对与隧道水平距离相同的5种不同底部深度的隔离桩进行对比研究，选取工况1、工况4、工况5、工况6、工况9共5种工况及未设置隔离桩工况分别进行计算并提取各施工階段桩顶的水平与竖向位移，结果分别如图12～13所示。

由图12～13可知，当隔离桩底部深度达到隧道底端，与未设置隔离桩相比，桩基最大水平和竖向位移分别减小10.8%、22.2%，此时设置隔离桩对桩基的防护作用十分有限，说明隔离桩的底部深度不足，未起到有效的防护作用。当底部深度达到隧道底端加上1/4隧道直径时，桩基的最大水平和竖向位移分别为1.702 mm、-2.639 mm，与未设置隔离桩时相比分别减小30.6%、54.1%，此时隔离桩的防护作用开始显现。当底部深度达到隧道底端加上3/4隧道直径时，桩基的最大水平和竖向位移进一步减小，与未设置隔离桩时相比分别减小了50.7%、64.7%，隔离桩的防护效果较为明显。隔离桩底部深度继续增加至隧道底端加上1倍隧道直径时，与底部深度在隧道底端加上3/4隧道直径时相比桩基的水平位移几乎没有减小，桩基的竖向位移虽有进一步减小的趋势，但此时其竖向位移也已控制良好。因此，在满足实际工程前提下，从产生的工程效果和经济性而言，隔离桩的底部深度适宜在隧道底端加上1/4倍与3/4倍隧道直径深度之间。

3.3.3隔离桩顶部不同深度影响分析

为确定隔离桩顶部的合理深度，通过对与隧道水平距离相同的5种不同顶部深度的隔离桩进行对比研究，选取工况10～14共5种工况及未设置隔离桩工况分别进行计算并提取各施工阶段桩顶的水平与竖向位移，结果分别如图14～15所示。

由图14～15可知，随着隔离桩距地面顶部深度依次增加，桩基的水平与竖向位移呈现出逐渐增加的趋势，隔离桩顶部深度的增加其防护效果也逐渐减弱。与工况1设置隔离桩相比，工况10～13设置隔离桩后桩基的水平位移呈现出小幅增加趋势，竖向位移虽有一定程度增加，但其与工况1相比，没有特别显著增加的趋势，隔离桩的防护效果略有一定程度的减弱，但仍具有较好的防护效果；工况14设置隔离桩后桩基的水平与竖向位移分别达到1.438 mm、-2.141 mm，桩基的水平与竖向位移减小趋势与工况1相比较为显著，说明此时隔离桩的顶部深度过小，已达不到底部深度隔离桩的防护效果。因此，在隔离桩的底部深度达到一定深度时，隔离桩的顶部深度在距地面以下7 m的范围内均有较好的防护效果。

4结语

本文以南昌地铁四号线人民公园站至上沙沟站区间某一实际工程为例，采用三维数值模拟软件Plaxis 3D对上软下硬复合地层中地铁盾构隧道开挖侧下穿邻近建筑物桩基进行分析，并对隔离桩的防护效果进行了对比分析，得到如下结论：

（1）隔离桩设置与隧道的水平距离越近，与邻近建筑桩基水平距离越远，其对邻近桩基的变形防护效果越为明显。工程条件允许情况下，隔离桩应尽量靠近隧道设置。

（2）隔离桩的底部最优设置深度为隧道底端以下1/4倍隧道直径与3/4倍隧道直径之间。设置深度小于隧道底端以下1/4倍隧道直径与超过隧道底端以下3/4倍隧道直径，其对邻近桩基的变形防护效果并不显著。

（3）在隔离桩的底部深度达到一定深度时，隔离桩的顶部深度在距地面以下7 m的范围内同样能起到较好的防护效果。

参考文献［1］胡佳.隧道盾构开挖对邻近建筑物的变形影响分析［J］.市政技术，2019，37（5）：121-124，129.

［2］秦东平，何平，张海彦.盾构隧道施工对邻近混凝土框架结构的影响分析［J］.市政技术，2020，38（2）：114-120.

［3］CHEN R，MENG F，LI Z，et al.Investigation of response of metro tunnels due to adjacent large excavation and protective measures in soft soils［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2016（58）：224-235.

［4］劉晖，王刚.大断面暗挖隧道近距离侧穿古建筑的安全性评价及变形控制技术研究［J］.市政技术，2017，35（2）：67-70.

［5］RAMPELLO S，FANTERA L，MASINI L.Efficiency of embedded barriers to mitigate tunnelling effects［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2019（89）：109-124.

［6］史渊，尹燕良，吕鹏洲，等.隔离桩对双线盾构近距离侧穿高铁桥梁桩基的变形控制分析［J］.公路，2021，66（5）：322-327.

［7］纪茜尧，姚爱军，高岩，等.地铁盾构隧道邻域埋入式隔离桩力学性能研究［J］.隧道建设（中英文），2018，38（S1）：87-96.

［8］奎耀，魏焕卫.隔离桩对隧道引起建筑物沉降的影响及受力分析［J］.现代隧道技术，2018，55（S2）：828-834.

［9］冯国辉，周逊泉，何庆亮，等.隔离桩对盾构掘进引起邻近高铁桩基水平位移的影响分析［J］.土木与环境工程学报（中英文），2020，42（4）：28-35.

［10］陈发东.盾构隧道施工对邻近桥梁桩基及周围土体影响的模拟研究［J］.中外公路，2018，38（6）：177-181.

［11］吴镇，张秀山，王磊.小半径曲线叠落盾构隧道下穿京沪高铁隔离桩设置参数研究［J］.铁道标准设计，2020，64（9）：88-94.

［12］LEDESMA A，ALONSO E E.Protecting sensitive constructions from tunnelling：the case of world heritagebuildings in Barcelona［J］.Géotechnique，2017，67（10）：914-925.

［13］王净伟，杨信之，阮波.盾构隧道施工对既有建筑物基桩影响的数值模拟［J］.铁道科学与工程学报，2014，11（4）：73-79.

［14］赵晓勇.地铁盾构隧道侧穿高铁桥群桩设置隔离桩影响分析［J］.城市轨道交通研究，202，24（5）：116-120，126.

基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目“高承压水复杂地层地铁盾构关键施工技术及变形微扰动控制研究”（编号：GJJ200637）

作者简介：欧阳鸿志（1989—），硕士，工程师，研究方向：涉铁工程管理。